第1章电路基本概念与基本定律

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1、 课程性质,电工学是高等学校理工科非电类专业必修的一门技术基础课程。, 教学目标,通过本课程的学习，使学生获得电工和电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能，了解电工和电子技术的应用及发展概况，为学习后续课程以及从事与本专业有关的工程技术等工作打下一定的基础。,前言, 本课件适用专业,多学时：60(理论)+20(实验), 学时,少学时：40(理论)+16(实验),多学时：计算机、机制、热能、材料、光信息、车辆工程、物理、生化等专业； 少学时：金属材料、生物、工业工程、给排水、土木、水电、发酵、食品、食质、环工、无机材料、高分子等专业。, 教学网站,校外 http:/218.64.56.27,

2、校内 http:/, 参考资料, 成绩评定,平时(考勤、作业、实验)：30%,考试：70%,秦曾煌主编电工学(第六版上下册)，高教,秦曾煌主编电工学相关习题解答,1.1 电路的作用与组成部分,1.2 电路模型,1.3 电压和电流的参考方向,1.4 欧姆定律,1.5 电源有载工作、开路与短路,1.6 基尔霍夫定律,1.7 电路中电位的概念及计算,第1章 电路的基本概念与基本定律,教学内容,了解电路模型及其理想电路元件的意义；理解电压、电流参考方向的意义；理解电路基本定律并能正确应用；了解电源的有载工作、开路与短路状态，并能理解电功率和额定值的意义；掌握分析与计算简单直流电路和电路中各点电位的方法

3、。,教学要求,重点,电压和电流的参考方向，基尔霍夫定律，电路中电位的概念及计算。,本章内容比较简单，无难点。,难点,学时数,4学时。, 实现电能的传输和转换,1.1.1 电路的作用,电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组合起来的。,1.1 电路的作用与组成部分,典型例子：电力系统,升压 变压器,降压 变压器,电灯 电动机 电炉 , 实现信号的传递和处理,扬声器,话筒,典型例子：扩音机,放大器,1.1 电路的作用与组成部分,1.1.2 电路的组成,电源（信号源）、中间环节、负载,电源 供应电能,负载 取用电能,中间环节 传输和分配电能,1.1 电路的作用与组成部分,中

4、间环节 信号处理,负载 接受和转换信号,信号源 提供信号,激励：电源或信号源的电压或电流，它推动电路工作； 响应：由激励在电路各部分产生的电压和电流。,1.1 电路的作用与组成部分,为了便于对实际电路进行分析和用数学描述，将实际元件理想化（或称模型化），即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素。 由一些理想电路元件或其组合所组成的电路，就是实际电路的电路模型，它是对实际电路电磁性质的科学抽象和概括。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件、二极管、三极管和电源元件等。,1.2 电路模型,1.2 电路模型,1.2 电路模型,例：手电筒的电路模型,干电池：是电源元件，其参数为电动

5、势 E 和内电阻Ro。,电珠：是电阻元件，其参数为电阻R。,筒体(包括开关)：是连接干电池与电珠的中间环节，其电阻忽略不计，认为是一无电阻的理想导体。,实际方向：正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方向。,1.3.1 电流的方向,参考方向（正方向）：任意选定的方向。,1.3 电压和电流的参考方向,表示方法：,1.3.2 电压的方向,实际方向：高电位端指向低电位端。,参考方向（正方向）：任意选定的方向。,1.3.3 电动势的方向,实际方向：电源内部由低电位端指向高电位端。,电动势与电压的关系：方向相反，数值相等。,表示方法：,1.3 电压和电流的参考方向,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为

6、正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,1.3.4 实际方向与参考方向的关系,若 I = 6A，则电流实际方向为从a流向b；,例：,若 I = -6A，则电流实际方向为从b流向a。,I,参考方向,实际方向,实际方向,1.3 电压和电流的参考方向,参考方向选定后电流(或电压)值才有正负之分,若 U = 6V，则电压的实际方向为从a指向b， 实际方向与参考方向一致；,若 U= -6V，则电压的实际方向为从b指向a， 实际方向与参考方向相反。,实际方向,参考方向,1.3 电压和电流的参考方向, 若电压与电流参考方向相同，则为关联参考方向；,1.3.5 关联参考方向与非关联参考方向,

7、 反之，则为非关联参考方向。,本书如未作特殊声明均采用关联参考方向,1.3 电压和电流的参考方向,练习与思考,1.3.2 如图，U1=-6V，U2=4V，试问Uab等于多少伏？,解：,1.3.1 如图，Uab=-5V，试问a，b两点哪点电位高？,解：,a点电位低，b点电位高。,1.3 电压和电流的参考方向,例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,解：,欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,1.4 欧姆定律,图(b),单位：欧姆（）,图(a),伏安特性曲线：电阻端电压与电流的关系。,线性电阻：遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它是一个表示该段电路特性而与电压和电流无关的常数。

8、,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,1.4 欧姆定律,练习与思考,1.4.4 为了测量某直流电机励磁线圈的电阻R，采用了 下图所示的“伏安法”。电压表读数为220V，电流表读 数为0.7A，试求线圈的电阻。如果在实验时有人误将 电流表当作电压表，并联在电源上，其后果如何？已 知电流表的量程为1A，内阻Ro为0.4。,解：,正确连接时，有,错误连接时，有,电流表中游丝将立即被烧断，电流表损坏。,理想状态下，电压表内阻无穷大， 电流表内阻无穷小。,注意,1.4 欧姆定律,1.5 电源有载工作、开路与短路, 电压与电流,1.5.1 电源有载工作,当电源内阻 Ro R 时，则U E ，表明当电流

9、(负载)变动时电源的端电压变动不大，这说明它带负载能力强。,电源输出的功率,电源产生的功率,内阻损耗的功率,在一个电路中，电源产生的功率和负载取用的功率以及内阻上所损耗的功率是平衡的。, 功率与功率平衡,1.5 电源有载工作、开路与短路, 电源与负载的判别,U 和 I 取非关联参考方向，若P = UI 0，电源； 若P = UI 0，负载。,U 和 I 取关联参考方向，若P = UI 0，负载； 若P = UI 0，电源。,方法一：根据 U 和 I 的实际方向判别,方法二：根据 U 和 I 的参考方向判别,电源：U和I 的实际方向相反，电流从“+”端流出， 发出功率；,负载：U和I 的实际方向

10、相同，电流从“+”端流入， 取用功率。,1.5 电源有载工作、开路与短路,例：下图所示方框为电路元件，已知：UAB= 50V，I1=15A，I2=10A，I3=-5A，试求电路各元件的功率， 并校验功率是否平衡。,解：,UAB = 50V,A点为“+”，B点为“-”,I1 = 15A,I1实际方向与参考方向相同，电流从“+”端出， “1”元件为电源，输出功率为：,1.5 电源有载工作、开路与短路,I2 = 10A,I2实际方向与参考方向相同，电流从“+”端入，“2”元件为负载，吸收功率为：,I3 = -5A,I3实际方向与参考方向相反，电流从“+”端入， “3”元件为负载，吸收功率为：,可见负

11、载吸收的功率与电源输出的功率平衡,1.5 电源有载工作、开路与短路, 额定值与实际值,额定值：电气设备的额定电压、额定电流和额定功率及其他标准使用规定值称为电气设备的额定值。分别用UN、IN、PN表示。,制造厂在制定产品的额定值时，要全面考虑使用的经济性、可靠性及寿命等因素，特别要保证设备的工作温度不超过规定的容许值。,使用时，电压、电流和功率的实际值不一定等于它们的额定值。,1.5 电源有载工作、开路与短路,当开关断开时，电源处于开路(空载)状态，不输出电能，其特征如下：,1.5.2 电源开路,电源端电压 （ 即开路电压） 等于电源电动势,负载功率为零,开路电流为零,1.5 电源有载工作、开

12、路与短路,1.5.3 电源短路,电源端电压为零,负载功率为零,电源产生的电能全被内阻所消耗,短路电流（很大）,短路通常是一种严重事故，应该尽力预防,1.5 电源有载工作、开路与短路,当电源的两端被短接时，其特征如下：,练习与思考,1.5.4 如图，方框代表电源或负载。已知 U = 220V， I= -1A，试问哪些方框是电源，哪些是负载？,解：,(a)图 关联 P = UI = 220(-1) = -220W 0，,电源,(b)图 非关联 P = UI = 220(-1) = -220W 0，,负载,(c)图 非关联 P = -UI = 220(-1) =-220W 0，,负载,(d)图 关联

13、 P = UI = 220(-1) = -220W 0，,电源,1.5 电源有载工作、开路与短路,支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的连接点，如结点a、b。,回路：由支路组成的闭合路径，如回路1、2、3。,网孔：内部不含支路的回路，如网孔1、2。,b,a,1.6 基尔霍夫定律,1.6.1 基尔霍夫电流定律(KCL定律), 定律内容,在任一瞬时，流向某一结点的电流之和等于由该结点流出的电流之和。,任一瞬时，任一结点上电流的代数和为零。,对结点a：,基尔霍夫电流定律是用来确定连接在同一结点上的各支路电流间关系的，体现了电流的连续性。,1.6

14、基尔霍夫定律,KCL定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。, 推广应用,广义结点,根据KCL定律，分别对A、B、C三个结点列电流方程：,1.6 基尔霍夫定律,例：,在任一瞬时，沿任一回路循行方向(顺时针方向或逆时针方向)，回路中各段电压的代数和恒等于零。,1.6.2 基尔霍夫电压定律（KVL定律), 定律内容,在任一瞬时，从回路中任意一点出发，沿回路循行一周，则在此方向上电位降之和等于电位升之和。,对回路3：,基尔霍夫电压定律是用来确定回路中各段电压间关系的。,1.6 基尔霍夫定律,首先要在电路图上标出各支路电流、电压参考方向及回路循行方向；,应用 U = 0列方程时，支路参考方向

15、与循行方向一致，则支路电压取正；反之，取负。, 推广应用,对回路1：,推广应用于回路的部分电路,注意,1.6 基尔霍夫定律,例：如图，已知R2=20k，R1=10k，E2=E1=6V，UBE=-0.3V，求：IB，I2，I1。,解：,对回路1,对回路2,对结点a,1.6 基尔霍夫定律,a,题1：如图，求当开关S在位置1和位置2两种情况下，通过5k电阻中的电流 I。,课外思考题,答案：3.75mA，2.5mA,1.6 基尔霍夫定律,电位：在电路中任选一点为参考点，且设参考点的电位为零，则电路中任一点的电位等于该点到参考点的电压。,1.7.1 电位的概念,在电路图中参考点常用符号“”标明，表示公共

16、端、接机壳或接底板。,其它各点的电位同它比较，比它高的为正；比它低的为负。,1.7 电路中电位的概念及计算,设a为参考点，即Va = 0V，,则Vb = Uba= -106 = -60V,设b为参考点，即Vb = 0V，,则Va = Uab= 106 = 60V,Ucd = VcVd = 50V,Ucd = VcVd = 50V,解：,Vc = Uca= 420 = 80V,Vd = Uda= 65 = 30V,Vc= Ucb= E1= 140V,Vd = Udb= E2 = 90V,1.7 电路中电位的概念及计算,结论,电路中各点电位值随参考点的不同而不同，电位是相对的；,电路中任意两点间电压大小与参考点的选择无关，电压是绝对的。,借助电位的概念可以简化电路作图,1.7 电路中电位的概念及计算,例1：计算图示电路中B点的电位。,解：,1.7 电